Reakcje jądrowe Ogólnie A + x  B + y

1. Reakcje jądrowe Ogólnie A + x B + y zapis skrócony 14N(a,p)17O Często reakcje jądrowe przechodzą przez stadium pośrednie A+x C* B + y C* jest stanem pośrednim (jądrem złożonym) Jądro złożone ma czas życia poniżej 10-13 s. W reakcjach jądrowych energia całkowita jest sumą energii kinetycznych Ek i energii masowych Em=mc2 Ec=

2. Aby zaszla reakcja z naladowana czastka (p, a, ciezkie jadro) musi byc pokonana bariera kulumbowska. Dla reakcji A + x  B + y bilans energii jest następujący: Ex+ mxc2 + mac2 = Eb+ mbc2 + Ey + myc2 Wyodrębnimy energie kinetyczne cząstek bombardujących i produktów otrzymamy efekt energetyczny reakcji jądrowej Q Q= Eb +Ey –Ex=(mx+ ma-mb-my)c2 Reakcje mogą być endotermiczne i energia musi być dostarczona Q= - 4,97MeV Dostarcza się energię poprzez bombardującą cząstkę a lub egzotermiczne Q = 5,70MeV energia jest odbierana poprzez emisję n i odrzut 12C

3. Dla przeprowadzenia reakcji endotermicznej jest potrzebna nieco większa energia niż Q, tzw energia progowa. Jest to związane z udzieleniem energii kinetycznej jądru złożonemu. x a mjz=ma+mx Z prawa zachowania pędu mxvx=mjzvjzpo podniesieniu do kwadratu mamy: mx2vx2=mjz2vjz2 Exmx=Ejzmjz aby zaszła reakcja jądrowa energia pocisku Ex musi być większa od Q o wartość energii progowej Ejz Ex=Ejz-Q= Czyli Ex będącą energią progową wynosi: Ex(prog)= -Q

4. Przyklad, reakcja endotermiczna masy wynoszą: 14,003074 4,002604 16,9991333 1,007825 bilans masy: 18,005678 - 18,006958 = -0,00128 u Q=-0,00128u . 931,5MeV/u=-1,19MeV Reakcja jest procesem endotermicznym i trzeba dostarczyć jej energii poprzez energię kinetyczną cząstki a. Ex(prog)= -Q Eprog= =1,59MeV

5. Przekrój czynny Prawdopodobieństwo zajścia reakcji jądrowej określa przekrój czynny, określa on skuteczność zderzeń Przekrój czynny jest wyrażany w jednostkach powierzchni. Jest to powierzchnia jaka uczestniczy w reakcji jądrowej: gdzie: Lz -liczba zderzeń skutecznych N- ilość jąder na m3 tarczy mogących brać udział w rekcji X - grubość tarczy j - strumień cząstek bombardujących na m2 tarczy i 1 s Jeżeli średni promień jadra wynosi 6x10-15 m To przekrój takiego jadra 3,14x(6x10-15 m)2≈ 10-28 m jest jednostka przekroju czynnego (1 b - barn) Zazwyczaj przekroje czynne reakcji są rzędu mili i mikro barnów.

6. Reakcje p z 63Cu Funkcje wzbudzenia przedstawiają wydajności reakcji w zależności od energii cząstki

7. Wydajność reakcji jądrowych Powstający w reakcji jądrowej promieniotwórczy nuklid jest zazwyczaj nietrwały i ulega rozpadowi z czasem połowicznego rozpadu t1/2 Nb – powstały nuklid promieniotwórczy Na – nuklid macierzysty (bombardowany) F - strumień  - przekrój czynny l - stała rozpadu nuklidu B Całkując to równanie przy założeniu, że F i Na const. Otrzymujemy:

8. Gdy czasy połowicznego rozpadu nuklidu B sa duże to ilość otrzymanego B zależy od czasu bombardowania. Gdy są małe to po ok. 6 T1/2 osiąga się nasycenie i nie ma sensu dłuższe naświetlanie

9. Bariera kulombowska Aby naładowana cząstka mogła wniknąć w jądro musi pokonać barierę kulombowską. Przy mniejszej energii odbija się od jądra. Po wniknięciu do jądra zaczynają działać siły jądrowe i tworzy się wzbudzone jądro złożone. Istnieje także prawdopodobieństwo, że cząstka o mniejszej energii niż bariera kulombowska wniknie do jądra w wyniku efektu tunelowego Cząstki bombardujące to protony, a (4He), deuterony 2H, ciężkie jony (12C, 18O, 20Ne) itd.

10. Wysokość bariery kulombowskiej dla reakcji jądrowych

11. Ważniejsze reakcje dwuciałowe Reakcje niskoenergetyczne - przy niskich energiach emitowana jest jedna cząstka. Przy wyższych energiach następuje emisja dwóch lub więcej cząstek Z N

12. Wazniejsze reakcje jadrowe 1. a-proton pierwsze doświadczenie Rutherforda 2. a-neutron reakcja będąca popularnym źródłem neutronów

13. 3. proton -a 4. proton-neutron W tej reakcji otrzymuje się jądra izobaryczne np. 11B(p,n)11C, 18O(p,n)18F, 63Cu(p,n)63Zn

14. 5. proton - g Gdy w wyniku bombardowania protonami tworzy się jądro stosunkowo trwałe (mające liczby magiczne) to wzbudzenie jądra złożonego realizuje się poprzez emisje kwantu g. Np. 6. reakcje deuteron-a, deuteron - proton, deuteron-neutron

15. 7. Reakcje fotojądrowe Reakcje jądrowe zachodzące pod wpływem bombardowania wysokoenergetycznymi fotonami. Aby wybita mogła być cząstka z jądra energia fotonu musi być co najmniej większa od energii wiązania cząstki w jądrze. Dla lekkich jąder, gdzie energia wiązania jest mała fotorozpad może zajść przy stosunkowo małych energiach. Q=-2,225MeV inną typową reakcją jest 31P(g,n)30P Źródłem wysokoenergetycznego promieniowania g mogą być akceleratory, tzw promieniowanie hamowania, niektóre reakcje (p, g) np. 7Li(p,g)8Be emituje kwant g o energii 17,2 MeV. 8. reakcje powodowane elektronami Reakcje te są rzadkie i nie mają znaczenia praktycznego. np: 63Cu(e,e,n)62Cu, 64Zn(e,e,n)63Zn, 109Ag(e,e,n)108Ag

16. 7. Reakcje powodowane przez neutrony Neutron – okres półrozpadu 11-12 min W zależności od energii neutrony dzielimy na: termiczne – 0 - 0,1 eV powolne – 0 – 100 eV Średnie – 100 eV - 100 keV prędkie > 100 keV Neutrony termiczne i powolne uzyskuje się na drodze hamowania neutronów prędkich w zderzeniach sprężystych. Przekroje czynne dla neutronów prędkich są zbliżone do przekrojów geometrycznych. Dla neutronów termicznych i powolnych na skutek wychwytów rezonansowych przekroje mogą być większe.

17. Reakcje n,g Większość trwałych nuklidów może pochłaniać neutrony termiczne (rezonansowe) o energii 1-10 eV. Neutrony o tej energii mają maksima absorpcji. Powstałe izotopy promieniotwórcze są na lewo od wyspy stabilności i ulegają reakcją b-.

18. reakcje neutron - a np. 6Li(n,a)3H, 10B(n,a)7Li, 27Al(n,a)24Na Dwie pierwsze reakcje są przykładami rozszczepienia jądra na fragmenty. reakcje neutron-proton Produktami są izobary tarczy. Tego typu reakcją produkuje się 14C stosowany powszechnie w naukach biologicznych 14N(n,p)14C Napromieniowując NH4NO3 można otrzymać duże wagowe ilości 14C

19. Źródła neutronów

20. Cząstki a są otrzymywane ze źródeł a takich jak 226Ra, 210Po, 241Am. Deuterony do reakcji 9Be(d,n)10B są przyspieszane w małych akceleratorach. Neutrony spalacyjne powstają przez bombardowanie ciężkich tarcz (Pb) wysoenergetycznymi protonami. Silnie wzbudzone w wyniku bombardowania jądro ołowiu emituje strumień neutronów i protonów. Protony są oddzielane w polu elektrycznym.

21. Synteza i rozszczepienie jąder rozszczepienie (A ~ 200) synteza Dmass / nucleon (MeV/c2)

22. Indukowane reakcje rozszczepienia Reakcje rozszczepienia polegają na wychwycie cząstki przez jądra pierwiastków ciężkich i rozpadzie silnie wzbudzonego jądra na dwa nietrwałe fragmenty oraz neutrony.

23. Indukowana neutronami reakcja rozszczepienia: n + 235U  xxxEyy + uuuEww + 3 n np:

24. Oprócz reakcji rozszczepienia 235U zachodzi także wychwyt radiacyjny (ok.15%) 235U + n 236U + g Ciężkie jądra mają nadmiar neutronów: np 235U 137Cs Produkty rozszczepienia =1,25 90Zr Nadmiar neutronów jest emitowany natychmiast i w wyniku rozpadów b- fragmentów rozszczepienia.

25. Bilans energetyczny reakcji rozszczepienia 235U zakladamy reakcje rozszczepienia:, 235U + n 142Cs55 + 90Rb35 + 4 n Produkty rozszczepienia ulegaja dalszym rozpadom b- 142Cs 142Ba +  (~1 min) 90Rb 90Sr +  (half-life, 15.4 min) 142Ba 142La +  (11 min) 90Sr 90Y +  (27.7 y) 142La 142Ce +  (58 min) 90Y 90Zr (stable) +  (64 h) 142Ce 142Pr +  (51015 y) 142Pr 142Nd (stable) +  (19 h)

26. zakładamy reakcje rozszczepienia:, 235U + n 142Cs55 + 90Rb35 + 4 n Bilans masy : 235U92142Nd60 + 90Zr40 + 3 n + Q235.04924 = 141.907719 + 89.904703 + 3x1.008665 + Q Q = (235.043924 - 141.907719 - 89.904703 - 3x1.008665) = 0.205503 amu x 931.4812 = 191.4 MeV/na rozpad x 1.6022x10-13 = 3.15x10-11 J

27. Ile energii wydziela się z rozszczepienia 1.0 kg 235U. 1 mol235 g 6.023e231 mol (3.1510-11 J) 1000 g = 8.061013 J/kg Jest to równoważnik 2 mln kg węgla

28. Podział Energii (MeV) w reakcji rozszczepienia Energia kinetyczna fragmentóów rozszczepienia Energia prompt (< 10–6 s) gamma Energia kinetyczna neutronów Energia rozpadu gamma produktów rozszczepienia Energia rozpadu b produktów Energia antyneutrin (ve) 167 MeV 8 8 7 7 7

29. Jakie jądra mogą ulec rozszczepieniu: Trwałości jądra sprzyja mała ilość nukleonów powierzchniowych A2/3, Nietrwałość odpychająca siła kolumbowska Czyli parametr rozszczepienia Przyjmuje się, że od wartości 33-33,7 jądra są rozszczepialne przez neutrony prędkie, a od 35,7 przez neutrony o dowolnej energii. Aby zaszło rozszczepienie musi być pokonana energia aktywacji konieczna do pokonania bariery, czyli energia wzbudzenia po przyłączeniu neutronu musi być większa od energii aktywacji.

31. Zastosowanie reakcji rozszczepienia • Produkcja izotopów dla medycyny, 131I 90Sr (90Y), 99Mo (99mTc), 103Ru (103mRh) • Bron jądrowa • Energetyka jądrowa (oddzielny wykład)

32. Bron jadrowa oparta na reakcji rozszczepienia 235U i 239Pu Reakcja lancuchowa

33. Co jest potrzebne do budowy bomby atomowej • Źródło neutronów • Materiał rozszczepialny • Rozszczepienie musi produkować ponad 1 neutron • Ilość materiału musi być większa od masy krytycznej Materiały rozszczepialne • 235U i239Pu • 235U musi być wydzielony z 238U • 239Pu jest produkowany w reaktorze przez naświetlenie 238U neutronami

34. Little Boy (60 kg 235U) Fat Man (6kg 239Pu)

35. Reakcje termojądrowe-fuzji Są to reakcje wymagające bardzo wysokich temperatur. Energia kinetyczna cząstek zderzających się musi być bardzo duża. Są to w praktyce reakcje D+D, D+T, T+T. Aby zaszła reakcja musi być pokonana bariera energetyczna 10-13J co wymaga energii kinetycznej cząstek o temperaturze 109 K. Ze względu na występowanie efektu tunelowego temperatura może być mniejsza o jeden rząd wielkości.

36. Energia syntezy 4He w reakcji D-T D + T 4He + n Energia syntezy -Q Deficyty masy w MeV dla substratów i produktu D + T 4He + n + Q 13,136 + 14,950 = 2,425 + 8,070 + QQ = 17.6 MeV/5 nukleonów czyli 3,5 MeV/amu w porównaniu 0,8 MeV/amu dla rozszczepienia

37. Energie reakcji syntezy D + D 4He + 23.85 MeV (hypotetyczna) H + H D + + + n + 1.44 MeV D + T 4He + n + 17.6 MeV D + 3He 4He + p + 18.4 MeV D + D 3He + n + 3.3 MeV D + D 3T + p + 4.0 MeV

38. Reakcje termojądrowe w gwiazdach wielki wybuch

39. Cykl wodorowy • Podstawową reakcją zachodzącą w gwiazdach jest • „spalanie” wodoru: • Zaczyna się ono przy temperaturze 5x106K trwa przy • powolnym wzroście temperatury, • 21H (2He*)2H + e+ + 0,44MeV • Deuteron wyłapuje proton w szybkiej reakcji • 2H + 1H 3He + g + 5,49 MeV • Ponieważ reakcja jest szybka stężenie deuteronu w gwiazdach jest bardzo małe. Następnie następuje znowu szybka reakcja: • 23He 4He + 21H + 12,86 MeV • Sumarycznie • 41H + 4He + 2e+ 24,72 MeV

40. Pozytony są natychmiast anihilowane • 2e+ +2e- 2,04MeV • Sumaryczny efekt 26,76 MeV • Ok. 90 % energii słonecznej jest wytwarzana w tym cyklu • W wyższych temperaturach zaczyna pojawiać się cykl Bethe`go-Weizsaeckera – katalizowana fuzja wodoru przez 12C.

41. Cykl węglowy: 12C + H 13N +  13N 13C (+ e–) + + + n13C + H 14N +  14N + H 15O +  15O 15N (+ e–) + + + n 15N + H 12C+ 4He + sumarycznie 4 H = 4He (+ 2e–) + 2+ +4  + 2 n + 26.7 MeV (podobnie do cyklu wodorowego)

42. Spalanie He Po wyczerpaniu wodoru następuje zapadanie się gwiazdy. Jej wnętrze ogrzewa się do wyższej temperatury. Przy T=108 K następuje "spalanie" helu z utworzeniem jąder 12C, 16O i 20Ne. 4He + 4He8Be 8Be + 4He 12C 12C +4He 16O dalsze reakcje prowadzą do utworzenia jąder aż do 40Ca.

43. Spalanie węgla i tlenu • 12C +12C 24Mg +g • 12C +12C 23Na +p • 12C +12C 20Ne + a a dalej • 20Ne +g16O + 4He • 16O + 16O  32S +g • 16O + 16O 31S +n • 16O + 16O 28Si +4He • 16O + 16O 31P +p • Następują dalsze wychwyty a i powstają jądra z okolicy żelaza

44. W gwiazdach zachodzi dalsza synteza pierwiastków poprzez reakcje (n, g). • 56Fe(n,g)57Fe(n,g)58Fe(n,g)59Fe 59Co(n,g)60Co 60Ni • W normalnych gwiazdach mogą się wytworzyć nuklidy aż do 209Bi. • Po bizmucie mamy szereg pierwiastków emiterów a o krótkim czasie połowicznego rozpadu (Po, At, Rn, Fr) i rozpad a jest szybszy niż wychwyt neutronu. • Gdy gwiazda wypali się w jej skład wchodzą w zasadzie nuklidy z okolicy żelaza i trochę cięższych powstałych z wychwytu neutronów.

45. Zapadanie się gwiazdy

46. Wybuch supernowej

47. Układ okresowy

48. Siły grawitacyjne powodują wzrost gęstości do 1014 g cm-3 i temperatury do 109K. W jądrze gwiazdy następuje reakcja: • p + e n +ne • Reakcja trwa ok. 1 s i wyzwala ogromny strumień neutronów. Atomy zewnętrznej warstwy gwiazdy pochłaniają duże ilości neutronów np. w reakcji: • 56Fe + 118n 244Fe 244Co 244Ni.. 244Pu i uwalniają się do przestrzeni międzygwiezdnej

49. Bron termojądrowa Bomba wodorowa (termojądrowa) zawiera ładunek jądrowy (235U) jako zapalnik oraz D, T i Li. Wybuch bomby zaczyna się od detonacji konwencjonalnego ładunku, który inicjuje wybuch rozszczepienie 235U. Gdy temperatura osiągnie 107 K następuje łańcuch reakcji syntezy 2D + 3T 4He + n + 17.6 MeV n + 6Li  T + 4He ( = 942 b) n + 7Li  T + 4He + n ( = 0.045 b)

50. Kontrolowana fuzja jadrowa Takie reakcje mogą być także źródłem kontrolowanej syntezy termojądrowej. Dwa czynniki warunkują możliwość przeprowadzenia kontrolowanej fuzji termojądrowej. Temperatura cząstek musi być większa od 108 K, oraz muszą być zamknięte substraty reakcji. Do zamykania plazmy planuje się zastosować pole elektromagnetyczne. Energia do przeprowadzenia reakcji może być dostarczana wiązką laserową, lub wiązką elektronów z akceleratora.